Дыхательная система насекомого — это система, с помощью которой оно вводит дыхательные газы внутрь себя и осуществляет газообмен .
Воздух попадает в дыхательную систему насекомых через ряд внешних отверстий, называемых дыхальцами . Эти внешние отверстия, которые действуют как мышечные клапаны у некоторых насекомых, ведут во внутреннюю дыхательную систему, представляющую собой густо переплетенный массив трубок, называемых трахеями . Эта сеть поперечных и продольных трахей выравнивает давление во всей системе.
Он отвечает за доставку достаточного количества кислорода (O 2 ) ко всем клеткам тела и за удаление углекислого газа (CO 2 ), который вырабатывается как побочный продукт клеточного дыхания . Дыхательная система насекомых (и многих других членистоногих) отделена от кровеносной системы .
Насекомые имеют дыхальца на своих экзоскелетах , чтобы воздух попадал в трахею . [1] [ нужна страница ] У насекомых трахеальные трубки в первую очередь доставляют кислород непосредственно в ткани насекомых . Дыхальца могут открываться и закрываться эффективным образом, чтобы уменьшить потерю воды. Это делается путем сокращения более близких мышц, окружающих дыхальце. Чтобы открыться, мышца расслабляется. Более близкая мышца контролируется центральной нервной системой, но также может реагировать на локализованные химические раздражители. У нескольких водных насекомых есть похожие или альтернативные методы закрытия, чтобы предотвратить попадание воды в трахею. Дыхальца иногда также могут быть окружены волосками, чтобы минимизировать объемное движение воздуха вокруг отверстия и, таким образом, минимизировать потерю воды.
Дыхальца расположены латерально вдоль груди и брюшка большинства насекомых — обычно по одной паре дыхалец на сегмент тела. Воздушный поток регулируется небольшими мышцами, которые управляют одним или двумя клапанами в виде лоскутов внутри каждого дыхальца — сокращаясь, чтобы закрыть дыхальце, или расслабляясь, чтобы открыть его.
Пройдя через дыхальце, воздух попадает в продольный трахеальный ствол, в конечном итоге диффундируя через сложную разветвленную сеть трахеальных трубок, которая подразделяется на все меньшие и меньшие диаметры и достигает каждой части тела. В конце каждой трахеальной ветви специальная клетка обеспечивает тонкий, влажный интерфейс для обмена газами между атмосферным воздухом и живой клеткой. Кислород в трахеальной трубке сначала растворяется в жидкости трахеолы, а затем диффундирует через клеточную мембрану в цитоплазму соседней клетки. В то же время углекислый газ, вырабатываемый как побочный продукт клеточного дыхания, диффундирует из клетки и, в конечном итоге, из тела через трахеальную систему.
Каждая трахеальная трубка развивается как инвагинация эктодермы во время эмбрионального развития. Чтобы предотвратить ее спадение под давлением, тонкая, укрепляющая «проволока» кутикулы ( тенидии ) спирально вьется через мембранную стенку. Такая конструкция (похожая по структуре на шланг обогревателя в автомобиле или выхлопную трубу сушилки для белья) дает трахеальным трубкам возможность сгибаться и растягиваться без образования перегибов, которые могли бы ограничить поток воздуха.
Отсутствие тенидий в некоторых частях трахейной системы позволяет формировать сжимающиеся воздушные мешки, похожие на шары структуры, которые могут хранить запас воздуха. В сухих наземных средах этот временный запас воздуха позволяет насекомому сохранять воду, закрывая дыхальца в периоды высокого испарительного стресса. Водные насекомые потребляют запасенный воздух, находясь под водой, или используют его для регулирования плавучести. Во время линьки воздушные мешки заполняются и увеличиваются, когда насекомое освобождается от старого экзоскелета и расширяет новый. Между линьками воздушные мешки предоставляют место для нового роста — уменьшаясь в объеме, поскольку они сжимаются расширением внутренних органов.
Мелкие насекомые полагаются почти исключительно на пассивную диффузию и физическую активность для перемещения газов в трахеальной системе. Однако более крупным насекомым может потребоваться активная вентиляция трахеальной системы (особенно когда они активны или находятся под тепловым стрессом). Они достигают этого, открывая одни дыхальца и закрывая другие, используя брюшные мышцы для попеременного расширения и сокращения объема тела. Хотя эти пульсирующие движения перекачивают воздух из одного конца тела в другой через продольные трахеальные стволы, диффузия по-прежнему важна для распределения кислорода по отдельным клеткам через сеть более мелких трахеальных трубок. Фактически, скорость диффузии газа считается одним из основных ограничивающих факторов (наряду с весом экзоскелета), который ограничивает размер насекомых. [2] Однако периоды в древней истории Земли, такие как карбон , характеризовались гораздо более высокими уровнями кислорода (до 35%), что позволило более крупным насекомым, таким как меганевра , наряду с паукообразными , эволюционировать.
Когда-то считалось, что насекомые непрерывно обмениваются газами с окружающей средой путем простой диффузии газов в трахеальную систему. Совсем недавно были задокументированы большие вариации в схемах дыхания насекомых, что позволяет предположить, что дыхание насекомых весьма изменчиво. Некоторые мелкие насекомые демонстрируют непрерывное дыхание и могут не иметь мышечного контроля над дыхальцами. Другие, однако, используют мышечное сокращение брюшка вместе с координированным сокращением и расслаблением дыхалец для создания циклических схем газообмена и уменьшения потерь воды в атмосферу. Самая экстремальная форма этих схем называется прерывистыми циклами газообмена (DGC). [3] Недавнее моделирование описало механизм переноса воздуха при циклическом газообмене вычислительно и аналитически. [4]